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現代葉輪機械新技術及應用/航空發動機基礎與教學叢書 版權信息
- ISBN：9787030722317
- 條形碼：9787030722317 ; 978-7-03-072231-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
現代葉輪機械新技術及應用/航空發動機基礎與教學叢書 內容簡介
葉輪機械在國防科技和國民經濟領域中均占有十分重要的地位。本書聚焦于葉輪機械在航空發動機及燃氣輪機領域的新技術及應用，重點關注近年來氣動分支涌現出的新技術。全書共8章，分別介紹風扇/壓氣機和渦輪的氣動設計、智能優化及流動控制等新技術，重點闡述葉片智能優化、串列葉片設計技術、非軸對稱端壁造型技術、附面層抽吸技術、對轉壓氣機技術、等離子體控制技術和人工智能技術等葉輪機械領域新技術的原理、發展及應用。 本書可作為高等工科院校有關專業課程教材，也可供航空、航天、航海等領域有關動力裝置研制的工程技術人員參考。
現代葉輪機械新技術及應用/航空發動機基礎與教學叢書 目錄
目錄
叢書序
前言
第1章 緒論
1.1 壓氣機中的主要流動現象及分析 001
1.1.1 壓氣機中的附面層流動分離現象 002
1.1.2 葉尖泄漏流動 004
1.1.3 激波損失 010
1.1.4 壓氣機葉柵內的旋渦 013
1.1.5 壓氣機中的非定常效應 014
1.2 壓氣機中的主要流動損失及其被動控制技術 016
1.2.1 葉型損失及其被動控制方法 017
1.2.2 激波損失及其控制方法 019
1.2.3 端壁二次流損失及控制方法 020
1.2.4 葉尖間隙泄漏損失及其控制方法 026
1.3 葉輪機械復雜流動主動控制技術 032
1.3.1 附面層吸附技術 032
1.3.2 引氣技術 037
1.3.3 射流技術 038
1.3.4 等離子體放電激勵技術 042
1.4 小結 043
參考文獻 044
第2章 壓氣機葉片智能優化設計新技術
2.1 葉片優化設計方法的發展與應用 053
2.1.1 葉片設計技術發展的迫切需求 053
2.1.2 傳統的葉型設計方法的制約與不足 054
2.1.3 優化設計技術的發展及葉片造型中的應用 055
2.1.4 葉型優化設計研究回顧 058
2.2 基于遺傳算法的可控擴散葉型優化設計技術 064
2.2.1 遺傳算法的基本原理及特點 064
2.2.2 基本遺傳算法的參數及運行流程 065
2.2.3 基本遺傳算法的實現 066
2.2.4 基本遺傳算法的改進策略 069
2.2.5 采用改進遺傳算法的可控擴散葉型優化設計技術 070
2.2.6 小結 079
2.3 基于改進人工蜂群算法的大彎度葉型優化設計技術 080
2.3.1 大彎度葉型優化設計平臺搭建 080
2.3.2 大彎度葉型優化設計 085
2.3.3 多工況條件下的大彎度葉型優化設計 089
2.3.4 小結 095
2.4 考慮端壁效應的高負荷葉柵優化設計技術 096
2.4.1 研究對象 096
2.4.2 高負荷葉柵全三維造型方法研究 097
2.4.3 考慮端壁效應的高負荷葉柵優化設計方法 103
2.4.4 考慮端壁效應的高負荷葉柵優化設計結果 107
2.4.5 小結 117
參考文獻 118
第3章 高負荷壓氣機串列葉片設計技術
3.1 串列葉片造型方法概述 122
3.1.1 串列葉片概念的提出及研究概述 122
3.1.2 串列葉型的幾何參數 123
3.1.3 串列基元葉型的生成 128
3.1.4 三維串列葉片的造型 130
3.2 基于并行多點采樣策略的串列葉柵多目標優化設計技術 134
3.2.1 引言 134
3.2.2 多目標優化系統 135
3.2.3 改進并行多點采樣策略 136
3.2.4 物理規劃 139
3.2.5 研究對象和數值方法 139
3.2.6 高負荷串列葉柵的優化 142
3.2.7 優化結果和分析 143
3.2.8 小結 147
3.3 大彎角串列葉型形狀及相對位置的耦合優化設計技術 147
3.3.1 引言 147
3.3.2 改進粒子群算法 148
3.3.3 研究對象 152
3.3.4 數值方法 153
3.3.5 NURBS參數化方法 153
3.3.6 自適應Kriging模型 154
3.3.7 優化系統簡介 155
3.3.8 優化結果和分析 157
3.3.9 小結 161
3.4 彎掠優化對高負荷跨聲速串列轉子的影響分析 162
3.4.1 引言 162
3.4.2 研究對象及數值方法 162
3.4.3 復合彎掠優化方法 164
3.4.4 彎掠優化結果與分析 165
3.4.5 小結 174
參考文獻 175
第4章 葉輪機內部二次流動的端壁控制技術
4.1 葉輪機內部二次流動的形成與發展 177
4.1.1 軸流葉輪機內部二次流動定義 178
4.1.2 葉輪機內部二次流的產生及特點分析 179
4.1.3 葉柵二次流的旋渦模型及其影響效應 181
4.2 非軸對稱端壁技術的發展與應用 184
4.2.1 渦輪非軸對稱端壁技術的發展 184
4.2.2 壓氣機葉柵非軸對稱端壁造型研究進展 186
4.3 非軸對稱端壁造型方法的研究 188
4.3.1 Rose非軸對稱端壁造型方法 188
4.3.2 FAITH端壁造型方法 189
4.3.3 中弧線旋轉法 191
4.3.4 三角函數造型法 191
4.3.5 壓差造型法 192
4.3.6 非均勻有理樣條函數法 193
4.3.7 非軸對稱端壁序列二次規劃優化造型技術 194
4.3.8 基于Bezier曲線的端壁造型方法及應用 196
4.4 軸流壓氣機非軸對稱端壁造型技術 208
4.4.1 跨聲速軸流壓氣機非軸對稱端壁造型優化設計 208
4.4.2 非軸對稱端壁造型在對轉壓氣機中的應用 214
4.4.3 小結 219
4.5 高壓渦輪導向器非軸對稱端壁優化設計技術 219
4.5.1 端壁參數化造型方法 220
4.5.2 數值優化方法 221
4.5.3 目標函數設計 222
4.5.4 高壓渦輪導向器中非軸對稱端壁造型優化設計 223
4.5.5 小結 234
參考文獻 235
第5章 壓氣機附面層吸附技術
5.1 附面層吸附技術的原理 239
5.1.1 附面層吸附對下游附面層動量厚度變化的影響 239
5.1.2 從熱力學原理出發分析附面層吸附效果 243
5.1.3 小結 249
5.2 附面層吸附技術的發展 249
5.2.1 附面層吸附技術研究現狀 249
5.2.2 吸附式風扇/壓氣機設計技術 252
5.3 吸附式葉型優化設計策略 260
5.3.1 防止吸附式葉型附面層分離的控制策略 260
5.3.2 基于蜂群算法的吸附式葉型智能優化設計策略 262
5.3.3 吸附式壓氣機葉型及抽吸方案的耦合優化設計策略 269
5.3.4 高空條件下低雷諾數葉型＋吸附式葉型耦合優化設計策略 294
5.3.5 小結 306
5.4 吸附式壓氣機葉柵風洞吹風實驗 306
5.4.1 高亞聲速平面葉柵風洞介紹 307
5.4.2 兩套吸附式壓氣機葉柵實驗 309
5.4.3 兩級風扇進口級靜子葉尖常規葉柵實驗和吸附式葉柵實驗結果分析 319
5.4.4 小結 324
5.5 吸附式風扇/壓氣機氣動設計技術 325
5.5.1 抽吸對壓氣機整體性能參數的影響 325
5.5.2 吸附式壓氣機設計與分析方法 327
5.5.3 小結 343
參考文獻 343
第6章 對轉壓氣機技術
6.1 對轉技術的發展應用及技術特點分析 346
6.1.1 對轉技術的發展 346
6.1.2 對轉技術的特點及存在問題分析 350
6.1.3 壓氣機對轉與其他新技術的融合 353
6.2 對轉壓氣機特性及流場結構分析 355
6.2.1 對轉壓氣機數值模擬結果分析 356
6.2.2 對轉壓氣機葉片表面極限流線分析 360
6.2.3 小結 363
6.3 轉速比和軸向間隙對對轉壓氣機性能的影響分析 364
6.3.1 轉速比對壓氣機性能的影響 364
6.3.2 軸向間隙對對轉壓氣機性能的影響 376
6.3.3 小結 385
6.4 對轉技術的思考與展望 386
6.4.1 對轉技術存在的問題思考 386
6.4.2 對轉技術展望 387
參考文獻 387
第7章 葉輪機等離子體流動控制技術
7.1 等離子體流動控制技術 389
7.1.1 介質阻擋放電等離子體激勵 390
7.1.2 等離子體合成射流激勵 390
7.1.3 電弧放電等離子體激勵 391
7.2 等離子體激勵對壓氣機葉尖泄漏流動的控制 392
7.3 等離子體激勵對轉子葉尖失速的控制 397
7.4 等離子體流動控制在壓氣機靜子中的應用 401
7.4.1 吸力面激勵布局流動控制效果 401
7.4.2 端壁激勵布局流動控制效果 403
7.5 展望 404
參考文獻 405
第8章 人工智能技術在葉輪機領域的應用前景及發展趨勢
8.1 人工智能技術及應用 407
8.1.1 氣動優化設計技術的研究現狀 408
8.1.2 遺傳算法在優化設計中的應用研究現狀 409
8.1.3 仿生智能算法研究與應用現狀 411
8.1.4 現代人工智能技術發展概況 412
8.2 應用改進型BP人工神經網絡的葉片優化設計技術 414
8.2.1 神經網絡概述 414
8.2.2 BP前饋神經網絡結構及算法 416
8.2.3 神經網絡樣本庫的建立 417
8.2.4 基于BP神經網絡的風扇靜子葉片優化 419
8.2.5 小結 424
8.3 基于徑向基神經網絡的損失和落后角模型及應用 425
8.3.1 傳統損失和落后角模型發展 425
8.3.2 損失和落后角代理模型研究 426
8.3.3 代理模型建立及應用 427
8.3.4 代理模型介入壓氣機特性計算的程序流程 435
8.3.5 E3十級高壓壓氣機預測結果 439
8.3.6 優化聚類中心數的RBF神經網絡代理模型計算結果 446
8.3.7 支持向量機代理模型計算結果 448
8.3.8 小結 450
8.4 微分蜂群支持向量機混合算法與葉片優化設計技術 450
8.4.1 蜂群支持向量機算法的演進：DEABCSVM 450
8.4.2 DEABCSVM算法數值實驗 453
8.4.3 基于DEABCSVM算法的葉型優化設計 456
8.4.4 小結 462
參考文獻 462
叢書序
前言
第1章 緒論
1.1 壓氣機中的主要流動現象及分析 001
1.1.1 壓氣機中的附面層流動分離現象 002
1.1.2 葉尖泄漏流動 004
1.1.3 激波損失 010
1.1.4 壓氣機葉柵內的旋渦 013
1.1.5 壓氣機中的非定常效應 014
1.2 壓氣機中的主要流動損失及其被動控制技術 016
1.2.1 葉型損失及其被動控制方法 017
1.2.2 激波損失及其控制方法 019
1.2.3 端壁二次流損失及控制方法 020
1.2.4 葉尖間隙泄漏損失及其控制方法 026
1.3 葉輪機械復雜流動主動控制技術 032
1.3.1 附面層吸附技術 032
1.3.2 引氣技術 037
1.3.3 射流技術 038
1.3.4 等離子體放電激勵技術 042
1.4 小結 043
參考文獻 044
第2章 壓氣機葉片智能優化設計新技術
2.1 葉片優化設計方法的發展與應用 053
2.1.1 葉片設計技術發展的迫切需求 053
2.1.2 傳統的葉型設計方法的制約與不足 054
2.1.3 優化設計技術的發展及葉片造型中的應用 055
2.1.4 葉型優化設計研究回顧 058
2.2 基于遺傳算法的可控擴散葉型優化設計技術 064
2.2.1 遺傳算法的基本原理及特點 064
2.2.2 基本遺傳算法的參數及運行流程 065
2.2.3 基本遺傳算法的實現 066
2.2.4 基本遺傳算法的改進策略 069
2.2.5 采用改進遺傳算法的可控擴散葉型優化設計技術 070
2.2.6 小結 079
2.3 基于改進人工蜂群算法的大彎度葉型優化設計技術 080
2.3.1 大彎度葉型優化設計平臺搭建 080
2.3.2 大彎度葉型優化設計 085
2.3.3 多工況條件下的大彎度葉型優化設計 089
2.3.4 小結 095
2.4 考慮端壁效應的高負荷葉柵優化設計技術 096
2.4.1 研究對象 096
2.4.2 高負荷葉柵全三維造型方法研究 097
2.4.3 考慮端壁效應的高負荷葉柵優化設計方法 103
2.4.4 考慮端壁效應的高負荷葉柵優化設計結果 107
2.4.5 小結 117
參考文獻 118
第3章 高負荷壓氣機串列葉片設計技術
3.1 串列葉片造型方法概述 122
3.1.1 串列葉片概念的提出及研究概述 122
3.1.2 串列葉型的幾何參數 123
3.1.3 串列基元葉型的生成 128
3.1.4 三維串列葉片的造型 130
3.2 基于并行多點采樣策略的串列葉柵多目標優化設計技術 134
3.2.1 引言 134
3.2.2 多目標優化系統 135
3.2.3 改進并行多點采樣策略 136
3.2.4 物理規劃 139
3.2.5 研究對象和數值方法 139
3.2.6 高負荷串列葉柵的優化 142
3.2.7 優化結果和分析 143
3.2.8 小結 147
3.3 大彎角串列葉型形狀及相對位置的耦合優化設計技術 147
3.3.1 引言 147
3.3.2 改進粒子群算法 148
3.3.3 研究對象 152
3.3.4 數值方法 153
3.3.5 NURBS參數化方法 153
3.3.6 自適應Kriging模型 154
3.3.7 優化系統簡介 155
3.3.8 優化結果和分析 157
3.3.9 小結 161
3.4 彎掠優化對高負荷跨聲速串列轉子的影響分析 162
3.4.1 引言 162
3.4.2 研究對象及數值方法 162
3.4.3 復合彎掠優化方法 164
3.4.4 彎掠優化結果與分析 165
3.4.5 小結 174
參考文獻 175
第4章 葉輪機內部二次流動的端壁控制技術
4.1 葉輪機內部二次流動的形成與發展 177
4.1.1 軸流葉輪機內部二次流動定義 178
4.1.2 葉輪機內部二次流的產生及特點分析 179
4.1.3 葉柵二次流的旋渦模型及其影響效應 181
4.2 非軸對稱端壁技術的發展與應用 184
4.2.1 渦輪非軸對稱端壁技術的發展 184
4.2.2 壓氣機葉柵非軸對稱端壁造型研究進展 186
4.3 非軸對稱端壁造型方法的研究 188
4.3.1 Rose非軸對稱端壁造型方法 188
4.3.2 FAITH端壁造型方法 189
4.3.3 中弧線旋轉法 191
4.3.4 三角函數造型法 191
4.3.5 壓差造型法 192
4.3.6 非均勻有理樣條函數法 193
4.3.7 非軸對稱端壁序列二次規劃優化造型技術 194
4.3.8 基于Bezier曲線的端壁造型方法及應用 196
4.4 軸流壓氣機非軸對稱端壁造型技術 208
4.4.1 跨聲速軸流壓氣機非軸對稱端壁造型優化設計 208
4.4.2 非軸對稱端壁造型在對轉壓氣機中的應用 214
4.4.3 小結 219
4.5 高壓渦輪導向器非軸對稱端壁優化設計技術 219
4.5.1 端壁參數化造型方法 220
4.5.2 數值優化方法 221
4.5.3 目標函數設計 222
4.5.4 高壓渦輪導向器中非軸對稱端壁造型優化設計 223
4.5.5 小結 234
參考文獻 235
第5章 壓氣機附面層吸附技術
5.1 附面層吸附技術的原理 239
5.1.1 附面層吸附對下游附面層動量厚度變化的影響 239
5.1.2 從熱力學原理出發分析附面層吸附效果 243
5.1.3 小結 249
5.2 附面層吸附技術的發展 249
5.2.1 附面層吸附技術研究現狀 249
5.2.2 吸附式風扇/壓氣機設計技術 252
5.3 吸附式葉型優化設計策略 260
5.3.1 防止吸附式葉型附面層分離的控制策略 260
5.3.2 基于蜂群算法的吸附式葉型智能優化設計策略 262
5.3.3 吸附式壓氣機葉型及抽吸方案的耦合優化設計策略 269
5.3.4 高空條件下低雷諾數葉型＋吸附式葉型耦合優化設計策略 294
5.3.5 小結 306
5.4 吸附式壓氣機葉柵風洞吹風實驗 306
5.4.1 高亞聲速平面葉柵風洞介紹 307
5.4.2 兩套吸附式壓氣機葉柵實驗 309
5.4.3 兩級風扇進口級靜子葉尖常規葉柵實驗和吸附式葉柵實驗結果分析 319
5.4.4 小結 324
5.5 吸附式風扇/壓氣機氣動設計技術 325
5.5.1 抽吸對壓氣機整體性能參數的影響 325
5.5.2 吸附式壓氣機設計與分析方法 327
5.5.3 小結 343
參考文獻 343
第6章 對轉壓氣機技術
6.1 對轉技術的發展應用及技術特點分析 346
6.1.1 對轉技術的發展 346
6.1.2 對轉技術的特點及存在問題分析 350
6.1.3 壓氣機對轉與其他新技術的融合 353
6.2 對轉壓氣機特性及流場結構分析 355
6.2.1 對轉壓氣機數值模擬結果分析 356
6.2.2 對轉壓氣機葉片表面極限流線分析 360
6.2.3 小結 363
6.3 轉速比和軸向間隙對對轉壓氣機性能的影響分析 364
6.3.1 轉速比對壓氣機性能的影響 364
6.3.2 軸向間隙對對轉壓氣機性能的影響 376
6.3.3 小結 385
6.4 對轉技術的思考與展望 386
6.4.1 對轉技術存在的問題思考 386
6.4.2 對轉技術展望 387
參考文獻 387
第7章 葉輪機等離子體流動控制技術
7.1 等離子體流動控制技術 389
7.1.1 介質阻擋放電等離子體激勵 390
7.1.2 等離子體合成射流激勵 390
7.1.3 電弧放電等離子體激勵 391
7.2 等離子體激勵對壓氣機葉尖泄漏流動的控制 392
7.3 等離子體激勵對轉子葉尖失速的控制 397
7.4 等離子體流動控制在壓氣機靜子中的應用 401
7.4.1 吸力面激勵布局流動控制效果 401
7.4.2 端壁激勵布局流動控制效果 403
7.5 展望 404
參考文獻 405
第8章 人工智能技術在葉輪機領域的應用前景及發展趨勢
8.1 人工智能技術及應用 407
8.1.1 氣動優化設計技術的研究現狀 408
8.1.2 遺傳算法在優化設計中的應用研究現狀 409
8.1.3 仿生智能算法研究與應用現狀 411
8.1.4 現代人工智能技術發展概況 412
8.2 應用改進型BP人工神經網絡的葉片優化設計技術 414
8.2.1 神經網絡概述 414
8.2.2 BP前饋神經網絡結構及算法 416
8.2.3 神經網絡樣本庫的建立 417
8.2.4 基于BP神經網絡的風扇靜子葉片優化 419
8.2.5 小結 424
8.3 基于徑向基神經網絡的損失和落后角模型及應用 425
8.3.1 傳統損失和落后角模型發展 425
8.3.2 損失和落后角代理模型研究 426
8.3.3 代理模型建立及應用 427
8.3.4 代理模型介入壓氣機特性計算的程序流程 435
8.3.5 E3十級高壓壓氣機預測結果 439
8.3.6 優化聚類中心數的RBF神經網絡代理模型計算結果 446
8.3.7 支持向量機代理模型計算結果 448
8.3.8 小結 450
8.4 微分蜂群支持向量機混合算法與葉片優化設計技術 450
8.4.1 蜂群支持向量機算法的演進：DEABCSVM 450
8.4.2 DEABCSVM算法數值實驗 453
8.4.3 基于DEABCSVM算法的葉型優化設計 456
8.4.4 小結 462
參考文獻 462
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現代葉輪機械新技術及應用/航空發動機基礎與教學叢書 節選
第1章緒論 葉輪機械一般指通過葉片與工質間的相互作用給工質加入或由工質中得到能量的機器。按照工質的流動方向，葉輪機械可以分為軸流式、徑流式、斜流式和組合式四種；按照動葉進口相對馬赫數的大小，可以分為亞聲速、跨聲速和超聲速葉片機。按照其功能，葉輪機械可以分為被動機械和原動機械兩大類： 前者為工質加入能量（功）使工質總溫和總壓升高，從而產生推動力，如壓氣機、風扇及螺旋槳等；后者從工質中獲得能量（功）得到軸功，如渦輪和風車等。 本書聚焦于葉輪機械在航空發動機及燃氣輪機領域的新技術及應用，重點關注氣動分支存在的新技術，即風扇/壓氣機和渦輪的氣動設計、優化及流動控制。制約渦輪部件高效可靠的問題主要是冷卻和結構強度，其氣動設計水平較為成熟，因此本書將重點闡述壓氣機領域新技術的原理、發展及應用，并對渦輪非軸對稱端壁造型新技術的發展和應用進行介紹。 1.1壓氣機中的主要流動現象及分析 壓氣機作為航空發動機的核心關鍵部件之一，其設計是決定航空動力裝置研制成敗的重要因素。同時，壓氣機屬于高速旋轉的葉輪機械，葉片從根到尖的展向流動變化非常大，它存在固有的轉/靜干涉效應、氣體黏性效應、激波效應，另外，轉子葉尖的間隙，以及通道內因擴壓產生的強壓力梯度使得壓氣機內部的流動具有很強的三維非定常性，其中值得引起重視并需要改善的氣動現象主要包括壓氣機中的各種流動分離、葉尖間隙導致的葉尖泄漏流和旋轉不穩定性等（圖1－1）。 1.1.1壓氣機中的附面層流動分離現象 高推重比發動機中的多級軸流壓氣機具有更高的級壓比和更低的展弦比，氣流轉折角也在增大。級壓比的提高意味著葉片通道內流向逆壓力梯度和周向壓力梯度的增加，這使得葉片通道內的流動變得更加復雜，甚至導致葉片吸力面附面層和角區分離程度增大。葉片展弦比的降低使得端壁附面層厚度所占流道徑向空間的比例升高，增厚的端壁附面層在強壓力梯度的作用下加劇了流道內的流動分離現象。壓氣機內的流動分離現象會降低壓氣機的工作效率和壓升能力，并進一步引發壓氣機工作過程中的流動失穩現象。隨著壓氣機級壓比的不斷提高，葉片吸力面會受到更強的逆壓梯度作用，其附面層變得更易分離，在設計過程中，對其內部流動分離的有效控制將變得更加困難，也給發動機性能、部件匹配及發動機穩定性等帶來了一系列難題。 通常情況下，葉片吸力面附面層會在葉片通道內逆壓力梯度的作用下產生不同程度的現象，針對此現象，學者們也提出了對應的評價準則——擴散因子，利用擴散因子可以對葉型設計的負荷量級進行預測性評估并與損失大小進行關聯。如圖12所示，某壓氣機葉片25%展向位置處，吸力面附近氣流由葉片前緣加速，在10%軸向弦長位置左右達到峰值（位置1處），之后氣流減速擴壓，并在30%軸向弦長位置處產生分離，該分離點在位置2處。位置3在70%軸向弦長處，這時葉片吸力面表面流動已經完全分離，流動損失急劇增大。 此外，在由葉片吸力面和端壁組成的葉片角區內存在另外一種三維分離現象，即角區分離或角區失速。受通道內壓力梯度的影響，即使在近設計工況附近，葉片角區處也常常伴隨著角區分離現象。在非設計工況下，角區分離會進一步惡化成為角區失速現象，這將使壓氣機的性能大幅降低。 角區分離或失速對壓氣機性能的影響主要體現在以下兩個方面：**，導致明顯的葉片通道堵塞，降低壓氣機的壓升能力；第二，產生明顯的二次流損失，降低壓氣機的工作效率。因此，此類三維分離現象一直是壓氣機設計人員的研究重點和熱點，其中包括角區分離的流動結構、形成機理、判定準則和控制方法等。 利用實驗和數值兩種方法，研究人員針對亞聲速壓氣機葉柵角區內的三維分離現象進行了大量的研究，對角區失速的形成和發展機制有了越來越全面的認識，即角區分離的形成是葉片通道內逆壓力梯度和端壁二次流共同作用的結果。壓氣機環形葉柵中角區失速的三維流動特征及壁面流動拓撲結構如圖13所示。角區失速主要包括明顯存在于吸力面和端壁上的回流區。在葉片吸力面附近端壁附面層內的低能流體沿展向爬升，離開端壁形成分離渦系，并形成了以吸力面和端壁上的某極限流線及某空間自由流面為邊界的三維分離區。 圖1－3壓氣機環形葉柵中角區失速的三維流動特征及壁面流動拓撲結構 類似拓撲結構在壓氣機葉柵內的存在不斷被后續研究所證實，并且隨著來流攻角的增大，角區分離的面積也越來越大。亞聲速三維直列葉柵的壁面流譜拓撲分析研究表明，三維角區分離的形成及發展與前緣滯止點的馬蹄渦系密切相關，且壁面奇點的數目隨著來流攻角的增大而增加，并與角區內堵塞量的變化趨勢保持一致。 對于超跨聲速壓氣機葉柵，激波與壓氣機葉柵內部附面層的相互作用會誘導出不同于亞聲速壓氣機葉柵的流動分離現象。圖1－4中展示了跨聲速壓氣機葉柵內部的角區分離流動現象，由于激波的干涉作用，葉展中部附近葉片吸力面上出現了層流分離泡和流動再附現象，在近端壁葉片吸力面出現了回流現象；在端壁處并沒有出現自壓力面至吸力面的二次流動及相應的過偏轉現象，也沒有形成常見的通道渦，而是在近尾緣端壁形成了一個較弱的環狀渦。與亞聲速壓氣機葉柵內部的流動不同，起始于跨聲速壓氣機葉柵前緣附近的馬蹄渦系對近端壁附近的流動影響較弱，葉片前緣附近的流動主要受激波與進口附面層相互作用的影響。 壓氣機葉片三維角區內的流動常常伴隨著強烈的非定常現象，因此嚴重的角區失速現象往往會引發壓氣機葉片的顫振及壓氣機工作失穩，進而造成嚴重的事故。壓氣機設計人員應該在設計過程中采用相應標準對設計結果快速進行判斷，盡量避免在某些工況下出現角區失速的現象。基于大量的數值和實驗結果，Lei等依據葉柵設計參數歸納出一個壓氣機葉柵角區失速的判定準則，該判定準則主要包含表征壓氣機負荷的擴散因子D和表征壓氣機穩定性的失速指數S，其中S是通過葉片負荷來衡量分離區的范圍來判斷角區失速的發生與否，且角區分離越嚴重，對應的失速指數S的值就越大。研究結果表明，一般對應角區失速發生時的條件為：D>0.4±0.05且S>0.12，如圖1－5所示（空心為角區分離工況，實心為角區失速工況）。 圖1－5角區失速發生與否的判定準則 1.1.2葉尖泄漏流動 在壓氣機轉子葉片排或懸臂靜子葉片排中，葉片和機匣或輪轂端壁之間存在一定高度的葉尖間隙，在葉頂截面葉片壓力面和吸力面兩側靜壓差的驅動下，葉尖附近的部分流體越過葉尖間隙形成了葉尖泄漏流。在葉尖區域，來自上游葉片排尾跡、環壁和葉片表面附面層、二次流及來流主流與葉尖泄漏流之間的相互作用使得葉尖泄漏流通常以葉尖泄漏渦的復雜形式存在，圖1－6中給出了亞聲速壓氣機轉子葉尖泄漏流的三維空間結構模型，圖1－7則顯示了轉子通道內部的流動結構（圖中ω為轉子旋轉角速度，Wr為相對速度的徑向分量，Wt為相對速度的切向分量，W為相對速度）。 圖1－6亞聲速壓氣機轉子葉尖泄漏流三維空間結構模型 圖1－7轉子通道內部流動結構示意圖 一般來說，葉尖泄漏流受四種因素影響： **是葉片吸力面和壓力面的壓差，壓差越大，泄漏流的驅動力就越強；第二是壓氣機輪緣處的附面層；第三是葉片和機匣間的相對運動；第四是葉尖間隙的大小，具體可以表現為間隙越大，則泄漏流動越強。 葉尖間隙流研究方法大致可以分為三種： 一是實驗測量方法；二是理論模型方法；三是數值模擬方法。采用理論模型方法可以直觀、粗略地得到泄漏流動過程，用于估算葉尖間隙泄漏導致的效率降低，而流動細節則必須借助實驗測試與數值模擬方法得到。已有的研究結果表明，葉尖間隙泄漏流對壓氣機的總體性能有至關重要的影響，在軸流壓氣機內部，除了葉片表面的摩擦和分離損失、端壁二次流引起的損失及跨聲速壓氣機中的相關激波損失之外，葉尖間隙的引入而導致的端區損失占壓氣機總損失的20%~40%，而且葉尖間隙的影響不僅限于轉子葉尖區域，葉展70%以上的區域都會受到影響，包括葉尖泄漏渦和通道激波相互干渉形成的低能流體團、渦/波干涉及流道堵塞等。在壓氣機低展弦比、高負荷的發展趨勢下，葉尖泄漏對壓氣機性能的影響也顯得越來越嚴重。泄漏流動損失在端區損失中占的比例增大，并會造成流道堵塞。尤其在跨聲速壓氣機中，由于葉尖泄漏渦和激波相互作用形成的低速堵塞團，會大幅度降低壓氣機的壓升能力，也可能是觸發葉尖失速的重要因素。 經過進一步的研究還發現：①對于跨聲速壓氣機，隨著葉尖間隙的增大，葉尖泄漏流和通道激波的相互作用越來越強，甚至會使激波結構發生變壓，由于泄漏渦與激波的強烈干涉作用，在前1/3弦長范圍內產生的葉尖泄漏流對壓氣機性能的影響*大，使得壓氣機的壓升能力、效率和喘振裕度嚴重下降；②葉尖泄漏渦在逐漸發展的過程中，對葉尖吸力面附面層的影響比較小，渦核軌跡向相鄰葉片壓力面移動，并且在出口后一段距離和相鄰葉片尾跡相交。而且，葉尖間隙越大，渦核軌跡越遠離機匣壁面。隨著節流加劇，葉尖泄漏渦軌跡逐漸向葉片前緣移動，對主流的阻礙能力也進一步加強；③當反壓上升到某一值時，葉尖泄漏渦會破碎，繼而產生導致失速的堵塞團；④機匣壁面的相對運動會對泄漏流的流動結構產生實質性的影響，雖然加劇了葉尖泄漏渦，但是卻在一定程度上減少了葉尖泄漏流動損失。 葉尖泄漏渦雖然不是導致壓氣機失速的直接原因，但是與壓氣機失速密切相關，大量的研究表明，跨聲速壓氣機中的泄漏渦與激波的相互干涉會導致壓氣機喘振裕度下降。因此，對葉尖泄漏流的控制顯得尤為重要，目前針對葉尖泄漏流動控制已發展出了很多新技術。 綜上所述，隨著壓氣機進口流量的減小，葉片的負荷增加，葉尖泄漏渦的運動軌跡會逐漸向葉片前緣方向移動，甚至從葉片前緣溢出，導致壓氣機流動失穩。在近失速工況附近，主流、葉片角區低能流體、壁面附面層和葉尖泄漏渦之間的相互作用使得葉頂附近的流場結構變得更加復雜，通道的堵塞程度顯著增加。因此，葉尖泄漏流對壓氣機所帶來的影響主要包括泄漏相關損失和端區通道堵塞兩個方面，前者會顯著降低壓氣機的工作效率，而后者會影響壓氣機的擴壓能力和工作穩定性。 為了更有效地利用流動控制方法來減弱葉尖泄漏流的負面效應，并盡可能地提高壓氣機的整體性能，就需要深刻地認識和掌握葉尖泄漏流的始發機制、空間結構，以及定常和非定常流動特征。下面將從葉尖泄漏流的模型研究及渦系結構、影響葉尖泄漏流的因素和非定常泄漏流三個方面來介紹目前針對葉尖泄漏流動現象取得的一些主要研究成果。 （1）葉尖泄漏流模型及渦系結構。通常情況下，受實驗和計算條件限制，在提出泄漏流模型的過程中會引入一定的近似假設和經驗參數，如壓力驅動和無黏特性假設等，這使得葉尖泄漏流模型的通用性受到了一定限制。但由于大多數模型涵蓋了影響葉尖泄漏流的主要因素，即便在實驗和計算水平顯著提高的今天，泄漏流模型仍然是一種很實用的分析葉尖間隙泄漏流的理論工具。其中，具有代表性的葉尖泄漏流經驗模型主要包括Rains模型、Lakshminarayana模型、Kirtley模型、Chen模型和Storer摻混控制體模型。 隨著實驗技術和計算能力的逐步提升，研究重點逐漸轉向葉尖泄漏流的詳細流動結構和流動機理探索。例如，在平面葉柵葉尖附近流場中利用實驗手段進行詳細測量，發現葉尖附近存在葉尖泄漏渦、葉頂分離渦，以及葉頂二次渦的雙渦系和三渦系結構，而且葉尖區域的通道渦會與葉尖泄漏渦發生相互作用。直列葉柵中的葉尖泄漏流實驗結果表明，葉尖區域同時存在葉尖泄漏渦和葉尖分離渦的雙渦系結構，如圖1－8所示。 Storer等通過葉柵實驗研究發現葉尖泄漏渦的起始位置與端壁靜壓*小值點相重合，且該位置隨著葉尖間隙的增加而向下游移動。從對低速軸流壓氣機的研究中同樣發現葉尖泄漏渦的形成位置與機匣端壁上的*小壓力位置一致，且泄漏渦的運動軌跡恰好對應著機匣端壁上的連線。隨著葉尖間隙尺寸的增加，泄漏
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